中国电机工程学会能源互联网分会专业委员 杨军
5G作为“新基建”的排头兵，成为拉动经济、缓解疫情冲击、稳增长稳就业的新抓手。随着智慧交通、泛在电力物联网、智慧城市等数字化应用蓬勃生长，一场伴随着5G万物智联而来的“数据海啸”正滚滚袭来，而海量数据引发的电力消耗也将成倍增长。5G设备高能耗的僵局亟待破解。
通信网络在5G时代发生重大变化
在相当长的一段时间内，现网的2G/3G/4G将会和5G RAT共存。目前70%的运营商站点频谱数≥5频，未来毫米波部署之后，站点频谱数普遍达到7～10频及以上，涵盖从700兆赫兹双通道到3.5G的64通道共9个频段。待5G FR1部署完成后，站点频谱数将更多，站点峰值功耗将增至约13700瓦，在未来几年，随着毫米波及新技术在现有频段的应用，最终站点日常功耗增至约13400瓦，峰值功耗将增至18900瓦。
由于5G频段的上移，为提升5G用户体验速率和实现热点地区及高容量业务场景的连续覆盖，运营商将以“宏基站为主，小基站为辅”的组网方式有效补充和解决4G网络覆盖的问题，截至2019年末，全国三大运营商4G基站总数合计在大约519万个，其中宏基站占比70%，约360万个。未来，基于5G中频段的宏站覆盖范围与4G宏站大致相当或稍弱，大致估算宏站需求个数是4G的1.2倍，大约在450万个，加上微基站数量，预测到2025年，我国5G基站总数将达到623万个。所以运营商将新增更多站点，导致消耗更多的电量。
通信运营能源的消耗主要是电力，占比80%-85%。其中的移网基站、固网通信机房和IDC机房占到总耗电量的95%以上。2019年，4G基站对全社会用电量的增量贡献约1.1-1.6％。因此控制能源费总量增长，核心点是基站和IDC机房。
5G高能耗对整个供电系统带来挑战
5G基站本身的能耗主要来源于基站的CU/DU（基带处理单元）设备和AAU（大规模天线阵列）。CU/DU消耗的电量主要用于计算，包括数字部分处理、管理和控制、核心网和其他基站间通信等。由于CU/DU的功率比较稳定，不受太大的业务负荷影响。而AAU则不同，随着负荷的增加，功耗也大幅增加。AAU设备内部集成了天线阵列、最高64个射频通道和部分基带功能，其能耗占基站设备总能耗的80%以上。
据相关机构预测，到2022年，我国5G网络建设规模至少达到250万站，届时运营商5G网络能耗成本将至少达到每年575亿元～750亿元。
5G基站的巨大电费开支，也将会对运营商的经营和盈利情况带来巨大冲击。2018年，三大运营商共盈利1492亿元。如果按未来5G的用电成本，和每年2.9%的利润增长率计算，2025年运营商的盈利将会大幅降低。除了基站自身设备能耗带来的挑战，5G的高能耗对整个供电系统也带来挑战。这些挑战包括市电容量、整流器容量、备电能力、温控能力等等。
5G的“高能耗”要从两方面来看，一个是绝对能耗，另一个就是相对能耗。如果是从它能够传输的比特率角度来看，实际上5G比4G强。5G的理论峰值速率为1G，约为4G（峰值速率）100M的10倍。5G基站的覆盖半径为100～300米，比4G基站的（覆盖半径）1～3公里密集很多倍。5G基站天线的系统容量和发射功率也是4G的好几倍。尽管5G基站的相对能耗低于4G，但绝对耗能过高，需要引起重视。
AI从基站软件侧实现节能优化
长期来看，5G基站节能还要从“源头”入手，即从基站的硬件侧和软件侧来实现节能优化。
硬件节能方案主要通过优化设备硬件设计、改进生成工艺、设备集成度等手段，达到降低基站设备基础能耗、不断提高基站设备能源利用率的目的。比如，在基带板方面推进高集成度和低功耗ASIC芯片解决方案、数字中频推进下一代7nm/5nm ASIC芯片、不断提高芯片的集成度、减少芯片使用数量等。而软件节能则是基于业务负荷状态对基站资源进行合理调度，在运行基站时更好地降本增效。5G基站的符号关断、载波关断、 关断、深度休眠是网络管理精细化的重要趋势。
近年来，随着AI（人工智能）技术兴起，其在图像识别、生产控制等领域的优势，也将广泛应用于通信站点供电系统，促进站点供电自动化控制，持续提高站点能效和站点可靠性。在执行基站深度休眠时，基于AI的5G基站能耗分析和控制平台可针对网络覆盖、用户分布、场景特征等数据，利用机器学习算法对历史数据进行人工智能判断，采用下发不同的关断指令策略，在不妨碍用户正常使用网络的前提下达到最优节能效果。
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在供给侧和售电侧，随着电网智能化要求提高，完成不同的领域任务需要训练不同的深度神经网络模型，而模型训练依赖海量历史数据、注意力机制与BERT，深度学习技术可有效降低训练新模型所需要的数据量要求。
